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報告書

1MW核破砕中性子源の低温水素システム用アキュムレータの改良

麻生 智一; 達本 衡輝*; 大都 起一*; 川上 善彦*; 小守 慎司*; 武藤 秀生*; 高田 弘

JAEA-Technology 2019-013, 77 Pages, 2019/09

JAEA-Technology-2019-013.pdf:5.59MB

大強度陽子加速器施設(J-PARC)物質・生命科学実験施設において1MWの陽子ビームで駆動する核破砕中性子源では、水銀ターゲットで発生した高速中性子を冷中性子に冷却するために、液体水素(1.5MPa, 20K以下)を3基のモデレータに供給し、そこで発生する核発熱(3.8kW)を強制方式で冷却する低温水素システムを備えている。この低温水素システムでは、核発熱に伴う系内の圧力変動を低減するためにベローズ構造で圧力を吸収するアキュムレータを採用していることが特徴である。しかしながら、初期に使用したベローズで不具合が生じたため、高耐圧, 長寿命のアキュムレータが必要となった。厚肉プレートによる高耐圧性を有する溶接ベローズ(内ベローズ)の要素技術開発を行い、最適条件を見出すことができた。内ベローズの試作機を製作し、2MPaの圧力印加を繰り返す耐久試験により、設計寿命(1万回以上)を満たすことを確認した。また、その製作法による内ベローズを導入したアキュムレータの組立時、溶接歪等によって内ベローズの機能性や寿命に影響しないように、水平・垂直度を0.1$$^{circ}$$以内に抑えた。改良したアキュムレータは既に約25,000時間(繰り返し伸縮約16,000回(運転中40mm伸縮の設計寿命は50万回))の運転を実現できており、2019年1月現在、500kWビーム出力で運転中である。2018年7月には932kWビーム入射した運転を行い、アキュムレータの圧力変動抑制機能が設計どおりの性能を有することを確認し、今後の高出力において安定運転ができる見通しを得た。

論文

Operational characteristics of the J-PARC cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source

達本 衡輝; 大都 起一; 麻生 智一; 川上 善彦; 勅使河原 誠

AIP Conference Proceedings 1573, p.66 - 73, 2014/01

 被引用回数:5 パーセンタイル:5

J-PARCの物質生命科学実験施設は、陽子ビームを水銀ターゲットに入射し、発生した高速中性子をモデレータである1.5MPa、20K以下の超臨界圧の低温水素と衝突を繰り返すことにより減速した冷中性子ビームによる中性子実験を行う実験施設である。低温水素システムは、3台の水素モデレータに超臨界圧水素を供給し、そこで発生する核発熱(1MW陽子ビーム時に3.75kW)を強制冷却するための冷凍設備である。低温水素システムの性能評価を行うために、冷却過程におけるパラ水素濃度を測定し、常に平衡濃度で存在することを確認した。定格状態では、設計条件の99%以上を満たすことを確認した。さらに、過渡的な熱負荷を与えた場合の温度変動の伝播特性と熱交換器の特性を測定し、熱負荷補償するためのヒータ制御による許容温度変動量を評価した。286kWと524kWの高出力陽子ビーム入射時の温度伝播特性結果と比較し、この評価方法の妥当性を検証した。さらに、本実験結果に基づいて、1MW陽子ビーム運転時におけるヒータ制御による温度変動量は、許容値以下であることがわかり、安定な1MWの陽子ビーム運転の見通しが得られた。

論文

Commissioning results on the cryogenic hydrogen system for moderators in JSNS

麻生 智一; 達本 衡輝; 大都 起一; 上原 聡明; 川上 善彦; 櫻山 久志; 二川 正敏

Proceedings of 19th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-19) (CD-ROM), 8 Pages, 2010/07

J-PARCにおける1MW級JSNS中性子源の低温水素システムは、水銀ターゲットで発生した核破砕中性子を冷中性子に減速するためのモデレータに18K, 1.5MPaの超臨界水素を使用する。2008年4月のオフビームコミッショニングを通して、超臨界水素循環用低温水素システムの要求仕様を確認し、最大約190g/sの循環に成功した。2008年5月には、初めて中性子発生に成功し、モデレータにより減速した中性子を問題なく供給することを確認した。その後、オンビームコミッショニングにおいても本低温水素システムの特性を確認した。

論文

Pressure control characteristics of the cryogenic hydrogen system for a 300-kW proton beam operation

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.1009 - 1014, 2010/07

J-PARC核破砕中性子源では、MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を用いて冷中性子に減速したビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するための大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温水素システムを製作した。陽子ビームの入射・停止時における大きな圧力変動を抑制するために、開発したヒータによる熱補償とアキュムレータによる容積変動制御を併用した圧力制御機構を開発した。初めての300kW陽子ビーム運転時において、低温水素システムの圧力変動試験も同時に行い、300kWビーム入射・停止時における圧力変動を13.5kPa以下に抑えることに成功した。また、開発した数値解析モデルは、実験結果を15%以内で予測することができた。1MW運転における圧力変動は設計圧力変動値より低い40kPaに抑えられることが解析により明らかになり、本圧力制御システムは、1MWビーム運転時においても有効であると期待できる。

論文

Performance test of a centrifugal supercritical hydrogen pump

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏; 吉永 誠一郎*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.377 - 382, 2010/07

J-PARC核破砕中性子源では、MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を用いて冷中性子に減速したビームを供給する。陽子ビーム1MW時における水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、モデレータ性能を満たすためには、このモデレータ内の温度差を3K以内する必要があった。本研究では、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる超臨界水素ポンプをITERで開発した超臨界ヘリウムポンプの設計データベースを用いて新たに開発し、その性能特性試験を測定した。断熱効率は54%、循環流量は、世界最大流量200g/sを達成し、開発した超臨界水素ポンプは、設計値を十分満足する性能を有することを確認した。

論文

Safety interlock of the cryogenic hydrogen system at J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.601 - 606, 2010/07

J-PARC核破砕中性子源では、MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を用いて冷中性子に減速したビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温水素システムを製作した。本低温水素システムでは可燃性ガスである水素を保有しているので、万が一、低温水素システムに異常事象が発生した場合でも、低温水素システムの機器保護と安全性を確保できるインターロックシステムを構築した。コミッショニングにより、ここで構築したインターロックシステムの健全性を確認することができた。

論文

Development of the cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source in J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏

AIP Conference Proceedings 1218, p.297 - 304, 2010/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:20.66

J-PARCの核破砕中性子源ではMW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。6か月に渡るオフビームコミッショニング期間で、低温水素システムの特性試験を実施し、設計どおりの性能を満たすことを確認することができた。

論文

Development of a simulation code for a cool-down process of the cryogenic hydrogen system

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 加藤 崇; 二川 正敏

AIP Conference Proceedings 1218, p.1154 - 1161, 2010/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:36.78

J-PARCの核破砕中性子源ではMW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。本システムの冷却運転方法の確立を目指して、冷却プロセスを模擬する流体解析コードを開発し、種々の条件下における冷却プロセス解析を行い、最適な条件を見いだすことができ、19時間以内で定格状態まで冷却可能であることがわかった。

論文

Pressure drop evaluation of the hydrogen circulation system for JSNS

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 加藤 崇; 二川 正敏

AIP Conference Proceedings 1218, p.1162 - 1169, 2010/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARCの核破砕中性子源ではMW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。低温水素システムの運転方法を検討するための解析コードを開発するためには、低温水素システム内の圧力損失を正確に評価する必要があった。本研究では、汎用の解析コードを用いて複雑な形状の構成機器の圧力損失を各々評価し、その解析結果を14%以内で記述できる圧力損失の相関式を導出することができた。

論文

Pressure fluctuation behavior in the cryogenic hydrogen system caused by a 100 kW proton beam injection

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 長谷川 勝一; 二川 正敏

AIP Conference Proceedings 1218, p.289 - 296, 2010/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:20.66

J-PARCの核破砕中性子源ではMW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。陽子ビームの入射・停止時において大きな圧力変動が与えられるため、ヒータによる熱補償と容積制御のアキュムレータを併用した圧力制御システムを開発した。昨年の12月に109kWの陽子ビーム25Hzで入射したときの低温水素システムの圧力変動試験を実施し、ビーム入射・停止時における圧力変動を5kPaに抑制することに成功した。本試験において、開発した圧力制御システムの有用性を確認することができた。

論文

J-PARC中性子源用低温水素システムの動的特性

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一

低温工学, 45(4), p.181 - 190, 2010/04

J-PARC核破砕中性子源では、MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。低温水素システムでは、ビーム入射,停止時におけるkWオーダーの過渡的な熱負荷変動による圧力変動が与えられるため、アキュムレータによる容積制御とヒータによる熱補償制御を組合せた圧力制御機構を開発した。120kW、及び、300kW陽子ビームを25Hzで入射したときの動的な圧力変動試験を実施し、開発した圧力制御機構の有用性が明らかになった。また、この圧力変動を模擬する数値解析コードを開発し、実験結果を10%以内で表すことができ、1MW時における圧力変動は34kPaと見積れた。この値は設計許容値を十分下回ることが明らかになった。

論文

Design of hydrogen vent line for the cryogenic hydrogen system in J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 二川 正敏

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.269 - 271, 2009/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.32(Instruments & Instrumentation)

大強度陽子加速器計画において、物質・生命科学実験施設では、1MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した速い中性子を超臨界圧水素によって減速(冷却)するための極低温水素循環システムの設計製作を行っている。異常事象が発生した場合は、安全の観点から、系内の水素を迅速かつ安全に放出するための水素放出設備の設計を行った。水素放出配管内での空気との混合を防止するためのパージ用の窒素ガスをパージしている。その水素放出配管の設計するうえにおいて、このパージ用の窒素ガスやスタック内空気の水分が、放出した低温水素ガスによって、凝縮しないようにしなければならない。さらに、放出配管の建家貫通部における配管温度の降下も防がなければならない。そこで、最大水素放出時における放出配管内の温度変動を解析し、その結果に基づいて、必要な放出配管サイズ及び建家内のレイアウトを決めた。

論文

Performance test of a helium refrigerator for the cryogenic hydrogen system in J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.711 - 716, 2009/00

J-PARCの核破砕中性子源では1MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約4kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。本システムでは安全性の観点から、水素保有量を少なくするために、低温水素ループをヘリウム冷凍機で冷却する2元式冷凍方式を採用した。試運転でヘリウム冷凍機の単体性能試験を行い、冷凍能力を評価した。15.5Kで6.45kWの冷凍能力が得られ、設計値を十分上回る性能を確認した。

論文

Commissioning of the cryogenic hydrogen system in J-PARC; First cool-down operation with helium

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.717 - 722, 2009/00

J-PARCの核破砕中性子源では1MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約4kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。安全性の観点から、はじめての低温試験においては、不活性ガスであるヘリウムを用いて低温水素システムの低温試験を行い、20時間以内で定格状態(20K)まで冷却することができ、低温状態におけるシステムの健全性を確認することができた。

論文

Commissioning of the cryogenic hydrogen system in J-PARC; Preliminary operation by helium gas

麻生 智一; 達本 衡輝; 長谷川 勝一; 大都 起一; 上原 聡明; 川上 善彦; 櫻山 久志; 前川 藤夫; 二川 正敏; 牛島 勇*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.741 - 746, 2009/00

J-PARC物質・生命科学実験施設に設置された中性子源用モデレータ冷却システムは、核破砕反応で発生した高エネルギー中性子を超臨界水素中に通過させることにより、そのエネルギーを低減し、冷中性子ビームとして施設利用者の実験装置へ供給するための冷凍システムである。本システムが完成し、モデレータを接続した状態の低温試験を、水素に先立ちヘリウムガスによって初めて行った。モデレータを含めて、1.5MPa, 20Kの定格状態まで冷却でき、定常維持,昇温運転が問題なくできることを確認した。

論文

J-PARC中性子源用極低温水素システム

加藤 崇; 達本 衡輝; 麻生 智一; 長谷川 勝一; 大都 起一

低温工学, 43(10), p.409 - 416, 2008/10

日本原子力研究開発機構(JAEA)と高エネルギー加速器研究機構(KEK)の共同プロジェクトとして陽子加速器を利用した最先端科学研究施設であるJ-PARCが、2008年度その全体が完成する。2008年5月末に3GeVシンクロトロンから3GeVの陽子をMLFに導き、MLF内に建設された核破砕中性子源の水銀ターゲットに入射させ、中性子の発生に成功した。その核破砕中性子源において、中性子減速システムの中心を担う低温水素システムは、水素循環の水素冷凍システムとしては世界最大である。特に本システムは、低温水素の循環流量が大きく、世界最大の中性子源用低温水素システムとなる。低温での冷媒が水素であることから、システムの安全担保も重要な課題であった。この課題を克服し、世界的にもユニークな低温水素の冷凍システムが完成し、設計通りの性能が確認された。確認された冷却特性や冷凍能力特性を以下に報告する。一方、本システムの運転手法自体も、これまでのヘリウム冷凍システムに比べユニークなものになっている。したがって、運転手法についても言及する。

論文

Numerical analysis of forced convection heat transfer of subcooled liquid nitrogen

達本 衡輝; 白井 康之*; 畑 幸一*; 加藤 崇; 麻生 智一; 大都 起一; 塩津 正博*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 18(2), p.1483 - 1486, 2008/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:66.96(Engineering, Electrical & Electronic)

液体水素の強制対流熱伝達に関する知見は、低温水素を用いる中性子源用モデレータ及びMgB$$_{2}$$超伝導マグネットの冷却設計に重要である。複雑な冷却流路内の熱流動現象を詳細に把握し、最適な設計をするためには、流体解析コードの使用が不可欠である。本研究では、まず、水平円管内における液体窒素の強制対流熱流動解析を汎用の熱流体解析コード(STAR-CD)を用いて行い、同一条件下における著者らの実験結果と比較した。乱流モデルには低レイノルズ型${it k-$epsilon$}$モデルを用いた。解析結果は、レイノルズ数が$$10^{4}$$以上で実験とよく一致することがわかった。レイノルズ数が$$10^{4}$$以下では、解析結果は実験結果より低くなった。水平円管の場合、レイノルズ数が2$$times$$$$10^{4}$$以下で浮力の影響が現れることが、解析により明らかになった。

論文

Thermal stress analysis for a transfer line of hydrogen moderator in J-PARC

達本 衡輝; 勅使河原 誠; 麻生 智一; 大都 起一; 前川 藤夫; 加藤 崇

AIP Conference Proceedings 985, p.1225 - 1232, 2008/03

JSNSでは、1MW級の核破砕中性子源用モデレータとして超臨界圧水素を採用し、高い中性子性能を得るために3つのモデレータ容器を用いられる。モデレータ容器とその輸送配管は高い放射線場にさらされるため、6年ごとに交換しなければならない。交換の際に、水素配管の取り外し作業だけは、人が行うため、交換位置であるベッセル上部での放射線量を十分下げる必要があり、モデレータの輸送配管の配管径をできるだけ小さくし、幾つかの曲がり部を設ける設計を行った。さらに、20Kに冷却した際に発生する熱収縮による低温配管と常温配管の接触を避けるために、スペーサーを導入した。複雑なモデレータ用水素輸送配管の熱収縮による変形、及び、応力集中を解析コードを用いて評価した。許容応力以下に保ち、かつ、配管の接触を避けられる最適なスペーサーの挿入位置を得ることができた。

論文

J-PARC中性子源と低温水素システム

加藤 崇; 麻生 智一; 達本 衡輝; 長谷川 勝一; 大都 起一

低温工学, 42(8), p.244 - 254, 2007/08

日本原子力研究開発機構と高エネルギー加速器研究機構は大強度陽子加速器研究施設(J-PARC)を建設している。J-PARCでは、4つの科学実験施設、すなわち物質・生命科学実験施設,原子核・素粒子実験施設,ニュートリノ実験施設及び核変換実験施設(将来計画)が建設されている。中性子散乱実験により物質や生体サンプル等の構造の解析実験が行われる物質・生命科学実験施設では、世界最大のパルス強度を有する中性子ビームを実験者に供給できる核破砕中性子源が建設されている。核破砕反応によって生成される中性子はMeVオーダーのエネルギーを有するが、実験に用いられる中性子エネルギーはmeVオーダーである。よって、中性子のエネルギーをおよそ9桁も下げる効果的な減速材が必要とされる。そのような減速材は超臨界水素であり、核破砕中性子源に中性子エネルギーを減速するシステムへ超臨界水素を供給する極低温水素システムが備えられるゆえんである。本論文では、核破砕中性子源及びその建設中の中性子源に整備される極低温水素システムについて解説する。

論文

J-PARC中性子源用低温水素システムの安全設計

加藤 崇; 麻生 智一; 達本 衡輝; 長谷川 勝一; 大都 起一

低温工学, 42(8), p.255 - 264, 2007/08

日本原子力研究開発機構は高エネルギー加速器研究機構と協力してJ-PARCを建設している。物質・生命科学実験施設(MLF)はJ-PARCの科学実験施設の一つとして建設されている。高エネルギー陽子ビーム入射による核破砕反応で中性子を発生させ、その中性子を実験者へ供給する装置である核破砕中性子源がMLF内に建設されている。水素原子核は、発生した中性子のエネルギーをMeVからmeVまで減速する中性子減速材として用いられる。よって、減速材としての極低温水素を供給するため核破砕中性子源に極低温水素システムが装備されている。本論文はこの極低温水素システムの安全設計を紹介する。特に、本システムは高圧ガス保安法の適用を受け、本邦で初めて冷凍保安規則の適用を受けた水素冷凍システムである。この規則の適用において議論された技術的な内容についても解説する。

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